EP0504643A2

EP0504643A2 - Einrichtung und Verfahren zum Kühlen und/oder Heizen einer Kabine

Info

Publication number: EP0504643A2
Application number: EP92103510A
Authority: EP
Inventors: Noureddine Dr. Khelifa
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1991-03-19
Filing date: 1992-02-29
Publication date: 1992-09-23
Anticipated expiration: 2012-02-29
Also published as: US5388423A; EP0504643A3; EP0504643B1; DE59208640D1; ES2103841T3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Heizen und/oder Kühlen eines Fahrgastraums (10) in einem Kraftfahrzeug. An den Fahrgastraum (10) ist ein Zuluftkanal (12) und ein Abluftkanal (11) angeschlossen. Ferner ist eine Wärmequelle vorgesehen, deren Wärmeenergie auf einen Luftstrom übertragbar ist. Gemäß der Erfindung ist die Wärmequelle ein Sorptionsreaktor (20) mit einem Sorbens wie Zeolith oder dgl., dessen Reaktionskammer (21) vom Luftstrom durchströmt ist. Dabei wird der Luft Feuchtigkeit entzogen und die Adsorptionswärme von dem Lufstrom aufgenommen, wobei die Reaktionskammer (21) einen Zuströmkanal (22) und einen Abströmkanal (23) aufweist und über ein Lufstromsteuerelement (51) mit einem Frischluft zuführenden Frischluftkanal (8) und stromauf über ein weiteres Luftstromsteuerelement mit einem in die Atmosphäre mündenden Fortluftkanal (9) verbindbar ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Heizen und/oder Kühlen einer Kabine, insbesondere eines Fahrgastraums in einem Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Kühlen und/oder Heizen mit einer derartigen Einrichtung.
Bei bekannten Kraftfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor steht eine ausreichende abzuführende Wärmemenge zur Verfügung, die auch an kalten Wintertagen eine ausreichende Heizung des Fahrgastraums ermöglicht. Bei Kraftfahrzeugen ohne Verbrennungsmotor, wie z.B. bei Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder dgl., fällt nur in geringem Umfang Abwärme an, die zum Heizen des Fahrgastraums nicht ausreichend ist. Gleiches gilt für die Klimatisierung eines Fahrgastraums, wenn der Verbrennungsmotor nicht in Betrieb ist.
Zur Kühlung der Antriebskomponenten eines Elektrofahrzeuges sind Kühlkanäle für ein flüssiges Kühlmittel bekannt, über die alle Komponenten mit Wärmeentwicklung durchströmt sind, um aus diesen die Wärmeenergie abzuführen. Da das Temperaturprofil sehr starken Schwankungen unterliegt und, zumindest kurzzeitig, auch größere Wärmemengen abzuführen sind, muß ein in dem Kühlmittelstrom angeordneter Wärmetauscher bezüglich seiner Wärmeübertragungsleistung auf diesen ungünstigsten maximalen Betriebspunkt ausgelegt werden.
Neben der Wärmeabführung aus den Antriebskomponenten ist auch eine Kühlung des Fahrgastraums bei hohen Außentemperaturen und eventuell hoher relativer Luftfeuchte wünschenswert, wobei der Energieaufwand zur Kühlung möglichst gering sein soll und als Kühlmittel umweltverträgliche Stoffe Verwendung finden sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Heizen und/oder Kühlen einer Kabine, insbesondere eines Fahrgastraums in einem Fahrzeug ohne oder mit nicht in Betrieb befindlichem Verbrennungsmotor anzugeben, mit dem bei geringem Energieverbrauch und unter Verwendung umweltverträglicher Stoffe ein Heizen oder Kühlen möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine derartige Einrichtung mit einem Sorptionsreaktor benötigt während des Heizens oder Kühlens eines Fahrgastraums nur wenig Hilfsenergie. Zeolith ist ein umweltverträglicher Sorbens und ermöglicht einen einfachen, wartungsfreundlichen Aufbau einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung.
Zum Kühlen der Kabine wird erfindungsgemäß die Kabinenluft über den Abluftkanal abgezogen, vorzugsweise über einen Luft/Luft-Wärmetauscher und den Zuströmkanal der Reaktionskammer zugeführt. Die aus dem Abströmkanal der Reaktionskammer austretende, entfeuchtete Luft wird in einem ersten Luft/Luft-Wärmetauscher mit Umgebungsluft und in einem zweiten Luft/Luft-Wärmetauscher mit Kabinenabluft gekühlt, in einem Verdunster durch Verdunsten von Wasser bis zur Kühlgrenze adiabatisch weiter abgekühlt und kann dann über den Zuluftkanal unmittelbar in die Kabine eingeleitet werden.
Soll die erfindungsgemäße Einrichtung zum Heizen benutzt werden, wird über den Zuströmkanal der Reaktionskammer ein feuchter Luftstrom zugeführt, der durch Adsorption im Sorptionsreaktor entfeuchtet wird und dabei Wärme aufnimmt, wobei der aus dem Abströmkanal austretende trockene Warmluftstrom seine Wärmeenergie in einem Luft/Luft-Wärmetauscher an einen Kühlluftstrom abgibt, der als Heizluftstrom der Kabine zugeführt ist. Der Kühlluftstrom kann sich in frei wählbaren Anteilen aus Frischluft und Umluft zusammensetzen. Die Abluft aus der Kabine strömt durch einen Verdunster, aus dem die feuchte Luft durch einen weiteren Wärmetauscher vorgewärmt zum Sorptionsreaktor strömt.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Zuluftkanal über einen Luftführungskanal mit dem Abluftkanal verbunden und in dem Luftführungskanal mindestens ein Gebläse zur Erzeugung einer angemessenen Luftströmung angeordnet. Als Wärmequelle ist ein in einem Kühlkreislauf der Antriebskomponenten befindlicher und von dessen Kühlmittel beaufschlagter Kühler vorgesehen, wobei das Gebläse und der Kühler hintereinander in dem Luftführungskanal angeordnet sind. Strömungsmäßig vor dem Kühler ist ferner ein erstes Luftstromsteuerelement eingebaut, das den Anteil von Umluft und Fortluft steuert.
Strömungsmäßig nach dem Kühler steuert ein zweites Luftstromsteuerelement den Anteil von in den Fahrgastraum eingeleiteter Heizluft und an die Umgebung abgeführter Kühlluft. Der Sorptionsreaktor ist nach dem zweiten Luftstromsteuerelement angeordnet.
Aufgrund der Steuerelemente und des Gebläses ist stets ein ausreichender Kühlluftstrom durch den Kühler bereitgestellt, wohingegen die aus dem Kühler abgeführte Wärmeenergie und auch die im Umluftstrom des Luftführungskanals enthaltene Wärmeenergie lediglich im Bedarfsfall und entsprechend der benötigten Wärmemenge gezielt dem Fahrgastraum zugeführt wird. Außerdem wird die zugeführte Luft entfeuchtet.
An den Kühlkreislauf können weitere Zusatzaggregate mit Wärmeentwicklung angeschlossen sein, wobei für die Umwälzung des Kühlmittels eine Kühlmittelpumpe vorgesehen ist, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Um eine optimale Auslegung des Kühlers zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn diesem die Kühlflüssigkeit mit einem relativ konstanten Temperaturniveau zugeleitet wird. Zu diesem Zweck ist vor Eintritt des Kühlmittels in den Kühler ein Wärmespeicher vorgesehen, der die extremen Schwankungen der Wärmeentwicklung in den einzelnen Komponenten kompensiert. Beesonders geeignet ist an dieser Stelle ein Latentwärmespeicher, durch den es möglich ist, nach kurzer Fahrtunterbrechung sofort wieder Wärmeenergie zum Heizen des Fahrgastraumes zur Verfügung zu stellen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der nachfolgend im einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1: in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Kühlen einer Kabine,
Fig. 2: in schematischer Darstellung eine Einrichtung gemäß Fig. 1 zum Heizen einer Kabine,
Fig. 3: in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Heizen einer Kabine,
Fig. 4: in schematischer Darstellung die Einrichtung nach Fig. 1 im Betriebszustand Desorbieren,
Fig. 5: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Heizen einer Kabine,
Fig. 6: in schematischer Darstellung eine Einrichtung zum Heizen einer Kabine eines Elektrofahrzeuges.

Die in den Fig. 1 bis 4 schematisch dargestellte Einrichtung zum Heizen und/oder Kühlen einer Kabine 10, insbesondere des Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs, weist als Energiespeicher (Wärmequelle) einen Sorptionsreaktor 20 mit einem Sorbens, wie Zeolith oder dgl., auf sowie Luftkanälen, durch die entsprechend dem Betriebszustand mittels Luftstromsteuerelementen Luftströme geführt sind.
Der Reaktionskammer 21 des Sorptionsreaktors 20 ist über einen Zuströmkanal 22 ein Kabinenluftstrom zugeführt, der im Kühlbetrieb über einen Abluftkanal 11 und im Heizbetrieb über einen Verdunster 13, den Zuluftkanal 12, das Luftstromsteuerelement 54, den Luftkanal 7 und das Luststromsteuerelement 53 abgesaugt wird. Der Abluftkanal 11 ist mit dem Zuströmkanal 22 über ein Luftstromsteuerelement 51 verbunden, welches in der Stellung 1 eine Strömungsverbindung zwischen dem Zuströmkanal und dem Abluftkanal herstellt und in einer Stellung 2 den Abluftkanal 11 verschließt und den Zuströmkanal 22 mit einem Frischluftkanal 8 verbindet.
Der einen trockenen Warmluftstrom führende Abströmkanal 23 der Reaktionskammer 21 ist im Kühlbetrieb über ein Luftstromsteuerelement 50 mit einem Zuluftkanal 12 der Kabine 10 verbunden. In der Stellung 1 tritt der Warmluftstrom aus dem Abströmkanal 23 in den Zuluftkanal 12, während in der Stellung 2 des Luftstromsteuerelementes 50 der Zuluftkanal 12 verschlossen ist und der Abströmkanal 23 in einen Fortluftkanal 9 mündet.
Im Zuluftkanal 12 ist - bevorzugt unmittelbar benachbart zur Kabine 10 - ein Verdunster 13 angeordnet. Aus einem Wasserspeicher 15 wird mittels einer Pumpe 16 über ein Ventil 14 Wasser geeigneten Oberflächen 17 zur Verdunstung zugeführt.
Der Abströmkanal 23 und der Zuströmkanal 22 stehen in wärmeübertragender Verbindung. Hierzu ist ein Wärmetauscher 24, vorzugsweise ein Kreuzstromwärmetauscher, angeordnet. Vorteilhaft ist im Zuströmkanal 22 ein weiterer Verdunster 25 mit geeigneten Oberflächen 26 angeordnet.
Zwischen dem Sorptionsreaktor 20 und dem Kreuzstromwärmetauscher 24 ist ein wärmeabführender Wärmetauscher 27 angeordnet, der mit dem Wärmetauscher 24 eine Baueinheit bilden kann. Der Wärmetauscher 27 ist von einem Kühlluftstrom 28 durchströmt, welcher von einem Kühlgebläse 29 erzeugt ist. Der aus dem Wärmetauscher 27 austretende Kühlluftstrom ist über einen Kühlluftkanal 30 und einen Fortluftkanal 31 in die Atmosphäre abgeführt.
Zur Kühlung der Kabine wird über den Abluftkanal 11 Kabinenluft abgezogen, welche als Fortluftstrom den Wärmetauscher 24 durchströmt und erwärmt wird. Der Abluftstrom tritt über den Zuströmkanal 22 in den Sorptionsreaktor 20 ein. Das Sorbens, im gezeigten Ausführungsbeispiel Zeolith, adsorbiert die Feuchte, wobei Adsorptionswärme entsteht, die zur Aufheizung der durchströmten Luft führt. Die aus dem Abströmkanal 23 austretende Luft ist somit ein trockener Warmluftstrom, der im Wärmetauscher 27 durch den Kühlluftstrom 28 abgekühlt wird und im Wärmetauscher 24 die Restwärme zur Aufheizung der aus der Kabine abgezogenen Abluft abgibt. Über das Steuerelement 50 strömt die abgekühlte, getrocknete Luft in den Zuluftkanal 12 und den Verdunster 13, wo sie unter Verdunsten von Wasser bis zur Kühlgrenze adiabatisch abgekühlt wird. Die abgekühlte Luft tritt aus dem Verdunster vorzugsweise unmittelbar in die Kabine ein. Durch Trocknung im Sorptionsreaktor, Vorkühlung in den Wärmetauschern und adiabatische Wiederbefeuchtung der Luft kann so die Kabine gekühlt werden.
Die Luftströmung von der Kabine zum Sorptionsreaktor 20 und zurück zur Kabine wird mittels eines Gebläses 19 aufrechterhalten, welches im Zuströmkanal 22 angeordnet ist. Im Zuströmkanal 22 ist vor Eintritt in die Reaktionskammer 21 ferner eine Heizvorrichtung 18 angeordnet, deren Funktionsweise nachfolgend noch beschrieben wird.
Soll die Einrichtung gemäß Fig. 1 nicht nur zum Kühlen einer Kabine 10 verwendet werden, sind gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel die strichliert gezeichneten Kanäle anzuordnen. Ein Brückenkanal 7 verbindet über Luftstromsteuerelemente 53 und 54 den Zuströmkanal 22 mit dem Zuluftkanal 12. Der Kühlluftkanal 30 ist in die Kabine 10 mündend ausgebildet, wobei der Fortluftkanal 31 über ein Luftstromsteuerelement 52 angeschlossen ist.
Zum Heizen der Kabine 10 werden gemäß Fig. 2 die Luftstromsteuerelemente 50, 52, 53 und 54 in Stellung 2 umgeschaltet, so daß deren Klappen den Brückenkanal 7 bzw. den Kühlluftkanal 30 öffnen.
In diesem Fall wird über den Zuluftkanal 12 aus der Kabine 10 warme Abluft angesaugt, die vorzugsweise im Verdunster 13 bis zur Sättigung Wasser aufnimmt. Über den Zuluftkanal 12 und das Steuerelement 54 tritt die Fortluft über den Brückenkanal 7 und das Steuerelement 53 in den Zuströmkanal 22 ein und durchströmt - wie in Fig. 1 beschrieben - die Reaktionskammer 21 des Sorptionsreaktors 20. Die über den Abströmkanal 23 austretende Warmluft gibt ihre Wärme im Wärmetauscher 27 an den Kühlluftstrom 28 ab, der vom Kühlgebläse 29 erzeugt ist. Der Kühlluftstrom setzt sich aus Frischluft und Umluft zusammen, wobei die Umluft über das Luftstromsteuerelement 60 und den Luftkanal 32 aus der Kabine mittels Gebläse 29 abgesaugt wird. Der Kühlluftstrom 28 tritt als Heizluft über den Kühlluftkanal 30 in die Kabine 10 ein. Die abgekühlte Luft tritt über den Fortluftkanal 9 in die Atmosphäre aus.
Alternativ kann die Einrichtung auch zum Heizen gemäß der Darstellung in Fig. 3 benutzt werden. Über den Frischluftkanal 8 und das in Stellung 2 stehende Luftstromsteuerelement 51 wird Frischluft dem Zuströmkanal 22 zugeführt. Diese Frischluft wird im Kreuzstromwärmetauscher 24 angewärmt und über den Verdunster 25 bis zur Sättigung befeuchtet. Die angewärmte, befeuchtete Frischluft strömt in die Reaktionskammer 21 des Sorptionsreaktors 20 ein und tritt als trockener Warmluftstrom durch den Abströmkanal 23 aus, der über das in Stellung 2 stehende Luftstromsteuerelement 50 mit dem Fortluftkanal 9 verbunden ist. Über den Wärmetauscher 27 wird die aus dem Sorptionsreaktor 20 abgeführte Adsorptionswärme an den Kühlluftstrom 28 abgegeben, welcher als Heizluft über den Kühlluftkanal 30 in die Kabine 10 eintritt.
Das Kühlgebläse 29 saugt über einen Umluftkanal 32 Kabinenluft an, wobei über ein Regelorgan 60 aus einem Frischluftkanal 33 gleichzeitig Frischluft angesaugt wird. Je nach den Betriebsbedingungen kann der angesaugten Kabinenluft ein entsprechender Anteil Frischluft zugeführt werden, wobei dieser Mischluftstrom als Kühlluftstrom den Wärmetauscher 27 durchströmt und als Heizluft in die Kabine 10 eintritt.
Bei der Ausführung gemäß Fit. 3 kann der in den Fig. 1 und 2 strichliert dargestellte Brückenkanal 7 entfallen.
Hat der Sorptionsreaktor eine bestimmte Wassermenge aufgenommen, muß zur Regeneration desorbiert werden. Hierzu wird, wie in Fig. 4 dargestellt, über den Frischluftkanal 8 dem Zuströmkanal 22 Frischluft zugeführt, welche vor Eintritt in die Reaktionskammer 21 in der Heizvorrichtung 18 aufgeheizt wird. Als Heizvorrichtung 18 kann ein elektrisches Heizregister verwendet werden, welches zum Beispiel beim Aufladen der Akkumulatoren eines Elektrofahrzeugs in Betrieb ist; bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor kann die notwendige Wärmeenergie dem Abgas über einen Wärmetauscher entnommen werden. Die aufgeheizte Frischluft nimmt Wasser aus dem Sorbens auf und führt dieses über den Abströmkanal 23 und den Wärmetauscher 24 sowie den Fortluftkanal 9 ab. Im Wärmetauscher 24 gibt die feuchte, warme Luft aus dem Sorptionsreaktor Wärme an die Frischluft ab, wodurch ein Teil der Abwärme zurückgewonnen wird. Das Ende des Desorptionsvorgangs kann anhand eines Anstiegs der Temperatur im Abströmkanal 23 festgestellt werden. Vorteilhaft kann der Temperaturanstieg am Ende des Desorptionsvorgangs zum Heizen der Kabine 10 ausgenutzt werden, wozu das Kühlgebläse 29 einzuschalten ist und der Kühlluftstrom als Heizluft über den Kühlluftkanal 30 der Kabine zugeführt werden kann.
Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß Fig. 5 dient ausschließlich der Heizung einer Kabine 10, z.B. des Fahrgastraums eines Elektrofahrzeugs. Hierbei wird in einem Luftstromsteuerelement 35 über den Abluftkanal 11 Abluft und über den Kanal 36 Frischluft angesaugt und über den Zuluftkanal 12 in die Kabine 10 geblasen. Ein dem Frischluftanteil entsprechender Fortluftanteil wird über den Fortluftstutzen 37 an die Umgebung abgegeben. Ein im Zuluftkanal 12 angeordnetes Gebläse 6 stellt eine ausreichende Luftumwälzung sicher.
Wie bereits zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 4 beschrieben, ist im Zuluftkanal 12 ein Wärmetauscher 27, vorzugsweise ein Kreuzstromwärmetauscher, angeordnet, durch den die trockene Warmluft geführt ist und die aufgenommene Adsorptionswärme an den Umluftstrom abgibt.
Der Zuströmkanal 22 zur Reaktionskammer 21 des Sorptionsreaktors 20 ist über einen Umluftkanal 38 mit dem Abströmkanal 23 verbunden. Die Luftzirkulation in dem so gebildeten, geschlossenen Kreislauf wird durch das Gebläse 19 aufrechterhalten. Die trockene, durch die Wärmeabgabe im Wärmetauscher 27 abgekühlte Umluft des Sorptionsreaktors wird vor Wiedereintritt in die Reaktionskammer 21 in dem Verdunster 25 bis zur Sättigungsgrenze befeuchtet. Der Verdunster weist einen von einer Pumpe 25a betriebenen Wasserkreislauf auf, der permanent aus einem Wasserreservoir 25b Wasser auf geeignete Oberflächen 26 zur Verdunstung aufbringt. Vorteilhaft ist im Verdunster 25 ein Wärmetauscher 40 eines Kühlkreislaufs 41 integriert, der eventuell vorhandene Abwärme aus beliebigen Aggregaten abführt. Die wärmeaufnehmende Seite des durch die Pumpe 43 betriebenen Kühlkreislaufs ist durch einen Kreis 42 stilisiert dargestellt.
Über das Luftstromsteuerelement 50 ist der Abströmkanal 23 wahlweise mit dem Fortluftkanal 9 oder dem Umluftkanal 38 verbindbar, während über das im Gebläse integrierte Luftstromsteuerelement 51 der Frischluftkanal 8 oder der Umluftkanal 38 wahlweise mit dem Zuströmkanal 22 verbindbar ist.
Ist eine Heizung der Kabine 10 nicht notwendig, muß dennoch die aufgenommene Wärme des Kühlkreislaufs 41 abgeführt werden. In der Klappenstellung 2 des Luftstromsteuerelementes 51 saugt das Gebläse 19 Frischluft über den Frischluftkanal 8 an, welche über einen Fortluftkanal 31 abgeblasen werden kann, der über das in Stellung 1 liegende Luftstromsteuerelement 52 zwischen dem Verdunster 25 und dem Sorptionsreaktor 20 abzweigt.
Muß der wärmespeichernde Sorptionsreaktor 20 desorbiert werden, kann dies - wie zu Fig. 4 beschrieben - durch Öffnen des Frischluftkanals sowie des Fortluftkanals unter Hinzufügung von Wärmeenergie erfolgen. Vorzugsweise ist vorgesehen, zwischen dem Zuströmkanal 22 und dem Umluftkanal 38 ein das Gebläse 19 umgehenden Bypasskanal 39 anzuordnen, der über Luftstromsteuerelemente 55 und 56 an die genannten Kanäle anschließt. In der Stellung 1 der Luftstromsteuerelemente 55 und 56 ist der Bypasskanal 39 geschlossen; in der Stellung 2 der Luftstromsteuerelemente 51, 55 und 56 wird aus dem Frischluftkanal 8 Luft angesaugt und über den Bypasskanal 39 unmittelbar vom Gebläse 19 in den Umluftkanal 38 gespeist, so daß unter Umkehrung der bisherigen Strömungsrichtung die unter Zuführung der Wärmeenergie Q aufgeheizte Frischluft über den Abströmkanal 23 in die Reaktionskammer 21 einströmt. Zur Abfuhr dieser Wasser austragenden Luft muß am Zuströmkanal 22 ein Fortluftstutzen 9' angeordnet werden, dessen Luftstromsteuerelement 57 in Stellung 2 ein Abströmen der zugeführten Frischluft in der Desorptionsphase gewährleistet.
Mit der Heizeinrichtung gemäß Fig. 5 ist auch bei einem Elektrofahrzeug, einem Hybridfahrzeug oder einem anderen ohne Verbrennungsmotor ausgeführten Fahrzeug wie auch im Falle einer Standklimatisierung über einen begrenzten Zeitraum eine ausreichende Heizung des Fahrgastraumes möglich. Die bei einem verbrennungsmotorlosen Fahrzeug abzuführenden geringen Wärmemengen können vorteilhaft zur Anreicherung der dem Sorptionsreaktor 20 zugeführten Reaktionsluft mit Wasser ausgenutzt werden.
Die in Fig. 6 gezeigte Einrichtung dient insbesondere zum Heizen der Kabine 10 bzw. eines Fahrgastraumes eines Elektrofahrzeuges. An die Kabine 10 sind ein Zuluftkanal 12 und ein Abluftkanal 11 angeschlossen. Der Abluftkanal 11 ist über einen Luftführungskanal 90 mit dem Zuluftkanal 12 verbunden; der Luftführungskanal 90 weist im wesentlichen drei Abschnitte 90a, 90b, 90c auf. Der erste Abschnitt 90a des Luftführungskanals 90 erstreckt sich vom Abluftkanal 11 bis zu einem ersten Luftstromsteuerelement 51. Der zweite Abschnitt 90b des Luftführungskanals 90 beginnt bei dem ersten Luftstromsteuerelement 51 und erstreckt sich bis zu einem zweiten Luftstromsteuerelement 52, wobei in diesem zweiten Abschnitt 90b ein Gebläse 19 und ein Kühler 40 zur Kühlung des elektrischen Antriebsaggregates 44 angeordnet sind.
Von dem zweiten Luftstromsteuerelement 52 erstreckt sich der dritte Abschnitt 90c des Luftführungskanals 90 bis zu dem Zuluftkanal 12 am Fahrgastraum 10. In dem dritten Abschnitt 90c des Luftführungskanals 90 sind in Reihe hintereinander ein Befeuchter 25, ein als Zeolith-Speicher ausgeführter Sorptions-Reaktor 20 und eine elektrische Zusatzheizung 81 angeordnet. Ohne Wärmerückgewinnung aus der Fortluft ist aus energetischen Gründen ein hoher Umluftanteil erforderlich. Durch die Verdunstung von Feuchtigkeit der Kabineninsassen nimmt die relative Feuchte in dem Fahrgastraum bei hohem Umluftanteil zu. Zur Realisierung eines hohen Umluftanteils ist daher eine Trockungseinrichtung notwendig. In dem Sorptions-Reaktor 20 wird durch das darin enthaltene Zeolith das Wasser des Luftstroms adsorbiert, wodurch dieser getrocknet wird. Die dabei freiwerdende Wärme heizt den Luftstrom weiter auf. Der Sorptions-Reaktor 20 dient somit auch als Wärmespeicher. Bei zu geringer Feuchte des Luftstroms wird diese im Befeuchter 25 erhöht, um dann in höherem Maße Wärme aus dem Sorbens, vorteilhaft Zeolithe, freisetzen zu können. In die Luftmischkammer 82 mündet ein Kaltluft führender Frischluftkanal 36, wobei der Anteil von Kalt- bzw. Frischluft dem im Abschnitt 90c geführten Luftstrom beigemischt wird. Zur Bereitstellung der erforderlichen Frischluft- bzw. Kaltluftmenge ist in dem Frischluftkanal 36 ein Gebläse 6 vorgesehen. Zur Abkühlung der Frischluft ist in dem Frischluftkanal 36 ein Verdunstungskühler 13 angeordnet.
Der vom Luftstrom im zweiten Abschnitt 90b des Luftführungskanals 90 durchströmte Kühler 40 wird auf der anderen Seite der Wärmetauschwände vom Kühlmittel eines Kühlkreislaufs 41 für das Antriebsaggregat 44 des Elektrofahrzeugs beaufschlagt. Dabei dient das Kühlmittel des Kühlkreislaufs 41 nicht nur zur Kühlung des Antriebsmotors selbst, sondern unter Antrieb sei hier die Gesamtanordnung aus Motor, Getriebe, Leistungssteuerung und Batterieeinheit zu verstehen. In dem Kühlkreislauf 41 befindet sich eine Kühlmittelpumpe 43 zur Bewegung des Kühlmittels. Wegen auftretender Schwankungen der Wärmeentwicklung in den Komponenten des Antriebs 44 ist ein puffernder Wärmespeicher 45 vorgesehen, der vorzugsweise als Latentwärmespeicher ausgebildet ist. Durch den Wärmespeicher 45 werden die Temperaturschwankungen gedämpft, wodurch die dem Kühler 40 zugeführte Wärme auf einem innerhalb bestimmter Grenzen relativ konstant gehaltenen Niveau bleibt.
Der Heizbetrieb für den Fahrgastraum ist von mehreren Einflüssen abhängig, vorrangig jedoch von den Umgebungstemperaturen, von der Sonneneinstrahlung und von der Innenraumtemperatur im Fahrgastraum. Daher ist die Funktion "Heizen" und die benötigte Wärmemenge bedarfsabhängig einzustellen, wohingegen die Kühlung des Antriebs im Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs stets benötigt wird, wenn auch der Kühlleistungsbedarf gewissen Schwankungen unterworfen ist, die beispielsweise klimatisch oder durch das Leistungsprofil bestimmt sind.
Die Kühlung des Antriebs erfolgt dadurch, daß das Kühlmittel durch entsprechende Kühlkanäle des Motors, des Getriebes, der Batterie (ggf. mit einem Zwischenwärmeträgerkreislauf) und der Leistungssteuerung fließt, wobei das Kühlmittel im Kühlkreislauf 41 mit Hilfe der Kühlmittelpumpe 43 bewegt wird. Die Wärmeerzeugung und die somit abzuführende Wärmemenge unterliegen extremen Schwankungen, insbesondere bei Lastwechseln wie beim Beschleunigen, Abbremsen usw. Damit der Kühler 40 bezüglich seiner Abmessungen nicht unnötig groß ausgeführt werden muß, besitzt der Wärmespeicher 45 die Funktion eines thermischen Puffers, der in der Lage ist, die häufig nur kurzzeitig auftretenden Wärmemengen aufzunehmen und das Kühlmittel mit einem relativ konstanten Temperaturniveau dem Kühler 40 zuzuführen. Die im Kühlmittel enthaltene Wärme wird in dem Kühler 40 an die durch den zweiten Abschnitt 90b des Luftführungskanals 90 strömende Luft abgegeben.
Wird das Fahrzeug bei Außentemperaturen betrieben, die eine Heizung des Fahrgastraums 10 nicht erforderlich machen, so wird der zur Wärmeaufnahme im Kühler 40 erforderliche Luftstrom, der durch das Gebläse 19 erzeugt wird, mindestens annähernd vollständig durch den Frischluftkanal 8 angesaugt und durch den Kühler zu dem zweiten Luftstromsteuerelement 52 geblasen. Wenn kein Heizungsbedarf für den Fahrgastraum 10 besteht, befindet sich das zweite Luftstromsteuerelement 52 in einer Stellung, die das gesamte durch den Kühler 40 geblasene Luftvolumen durch den Fortluftkanal 31 ins Freie ableitet.
Wegen des von den Fahrzeuginsassen benötigten Sauerstoffs muß ein gewisses Luftvolumen im Fahrgastraum ständig erneuert werden. Zu diesem Zweck erzeugt das Gebläse 6 einen Luftstrom in dem Frischluftkanal 36, wobei, je nach Bedarf, die Temperatur der Frischluft in dem Verdunstungskühler 13 abgesenkt werden kann. Diese kalte Luft wird dann durch die Luftmischkammer 82 und den Zuluftkanal 12 in den Fahrgastraum 10 geleitet. Das gleiche Luftvolumen wird an anderer Stelle aus dem Fahrgastraum 10 abgezogen und - über den Fortluftkanal 31 - an die Umgebung abgegeben.
Besteht ein Heizungsbedarf für den Fahrgastraum 10, so wird das zweite Luftstromsteuerelement 52 verstellt, wodurch durch den Kühler 40 geleitete und erwärmte Luft teilweise oder vollständig durch den dritten Abschnitt 90c des Luftführungskanals 90 und den Sorptions-Reaktor 20 über den Zuluftkanal 12 in den Fahrgastraum 10 geleitet wird.
Zusätzlich zu der Aufheizung des Luftstroms im Kühler 40 wird noch im Sorptions-Reaktor 20 die im Zeolith enthaltene Wärmeenergie an den Heizluftstrom abgegeben. Bei noch höherem Heizungsbedarf kann das Temperaturniveau zusätzlich durch die elektrische Zusatzheizung 81 weiter angehoben werden, wovon jedoch nur in Ausnahmefällen Gebrauch gemacht werden sollte, da die hierzu benötigte elektrische Energie in der Regel aus der Batterieeinheit des Elektrofahrzeuges entnommen wird.
Einen großen Vorteil bietet die elektrische Zusatzheizung 81 während der Dauer der Aufladung der Batterieeinheit. Mit dem Ladestrom für die Batterieeinheit kann auch ein entsprechender Strom für die elektrische Zusatzheizung 81 zugeführt werden. Mit dem Einschalten der elektrischen Zusatzheizung 81 wird vorteilhaft mindestens eines der Gebläse 6 oder 19 in Betrieb gesetzt und die Luft im Luftführungskanal 90 bewegt. Ein Luftvolumen, das der durch den Zuluftkanal 12 in den Fahrgastraum 10 eingeblasenen Heizluft entspricht, wird durch den Abluftkanal 3 aus der Kabine abgesaugt und durch den ersten und zweiten Abschnitt 90a und 90b des Luftführungskanals 90 der elektrischen Zusatzheizung 81 erneut zugeführt und weiter aufgeheizt.
Wird das Luftstromsteuerelement in der Luftmischkammer 82 so eingestellt, daß die über den Frischluftkanal 36 zuströmende Kaltluft in den Abschnitt 90c des Luftfführungskanals 90 eintritt und zum Sorptions-Reaktor 20 strömt, so wird über die elektrische Zusatzheizung 81 der Luftstrom aufgeheizt und dient der Desorption des Sorbens im Reaktor 20. Der aus dem Reaktor 20 austretende feuchte Luftstrom wird über das Luftstromsteuerelement 52 und den Fortluftkanal 31 abgeleitet.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Luftstromsteuerelemente in sperrender Stellung oder Durchgangsstellung dargestellt. Je nach gewünschter Temperatur des Kühlluftstromes und der Heizungsluft ist eine Regelung durch eine Vielzahl von Zwischenstellungen dieser Luftstromsteuerelemente möglich.

Claims

Einrichtung zum Heizen und/oder Kühlen einer Kabine (10), insbesondere eines Fahrgastraums in einem Kraftfahrzeug, mit je einem an die Kabine (10) angeschlossenen Zuluftkanal (12) und einem Abluftkanal (11) sowie einer Wärmequelle, deren Wärmeenergie auf einen Luftstrom übertragbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein Sorptionsreaktor (20) mit einem Sorbens wie Zeolith oder dgl. ist, dessen Reaktionskammer (21) vom Luftstrom durchströmt ist und dabei der Luft Feuchtigkeit entzieht und die Adsorptionswärme an den Luftstrom abgibt, wobei die Reaktionskammer (21) einen Zuströmkanal (22) und einen Abströmkanal (23) aufweist und über ein Luftstromsteuerelement (51) mit einem Frischluft zuführenden Frischluftkanal (8) und stromauf über ein weiteres Luftstromsteuerelement mit einem in die Atmosphäre mündenden Fortluftkanal (9) verbindbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abströmkanal (23) über das Luftstromsteuerelement (50) wahlweise mit dem Zuluftkanal (12) oder dem Fortluftkanal (9) verbindbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß im Zuluftkanal (12) ein Verdunster (13) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zuströmkanal (22) über ein Luftstromsteuerelement (51) wahlweise mit dem Abluftkanal (11) oder dem Frischluftkanal (8) verbindbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abströmkanal (23) und der Zuströmkanal (22) über einen Wärmetauscher (24), insbesondere Kreuzstromwärmetauscher, in wärmeaustauschender Verbindung stehen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß im Abströmkanal (23) ein Wärmetauscher (27) angeordnet ist, der von einem Kühlluftstrom durchströmt ist, wobei der Kühlluftstrom vorteilhaft als Heizluftstrom der Kabine (10) zugeführt ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der Reaktionskammer (21) im Zuströmkanal (22) ein den Luftstrom befeuchtender Verdunster (25) angeordnet ist, der vorzugsweise ein regelbares Wasserzulaufventil aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß im Zuströmkanal (22) vor Eintritt in die Reaktionskammer (21) eine Heizvorrichtung (18) wie ein elektrisches Heizregister oder ein von einem Heizluftstrom durchströmter Wärmetauscher angeordnet ist, wobei der Heizluftstrom vorteilhaft ein Abwärmeluftstrom ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abströmkanal (23) über ein Luftstromsteuerelement (50) wahlweise mit einem Umluftkanal (38) oder dem Fortluftkanal (9) und der Zuströmkanal (22) wahlweise mit dem Umluftkanal (38) oder dem Frischluftkanal (8) verbindbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zuluftkanal (12) über einen Luftführungskanal ((90) mit dem Abluftkanal (11) verbunden ist, daß in dem Luftführungskanal (90) mindestens ein Gebläse (19) zur Erzeugung einer angemessenen Luftströmung und als Wärmequelle ein in einem Kühlkreislauf (41) der Antriebskomponenten (44) befindlicher und von dessen Kühlmittel beaufschlagter Kühler (40) vorgesehen sind, und daß das Gebläse (19) und der Kühler (40) hintereinander in dem Luftführungskanal (90) angeordnet sind, wobei strömungsmäßig vor dem Kühler (40) ein erstes Luftstromsteuerelement (51), das den Anteil von Umluft und Fortluft steuert und strömungsmäßig nach dem Kühler (40), ein zweites Luftstromsteuerelement (52), das den Anteil von in den Fahrgastraum (10) eingeleiteter Heizluft und an die Umgebung abzuführender Kühlluft steuert, angeordnet sind, und daß nach dem zweiten Luftstromsteuerelement (52) der Sorptionsreaktor (20) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Kühlkreislauf (41) Zusatzaggregate mit Wärmeentwicklung und eine Batterieeinheit, eine elektrische Steuerungseinrichtung und ein Getriebe eines Elektrofahrzeugs angeschlossen sind und eine mittels Elektromotor angetriebene Kühlmittelpumpe vorgesehen ist, wobei vorzugsweise in den Kühlkreislauf (41) ein Wärmespeicher (45), insbesondere ein Latentwärmespeicher, eingebunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Luftführungskanal (90) mindestens drei Abschnitte (90a, 90b, 90c) umfaßt, wobei ein erster Abschnitt (90a) von dem Fahrgastraum (10) bis zu dem ersten Luftstromsteuerelement (51) führt, ein zweiter Abschnitt (90b) das erste Luftstromsteuerelement (51) mit dem zweiten Luftstromsteuerelement (52) verbindet und ein dritter Abschnitt (90c) vom zweiten Luftstromsteuerelement (52) zum Fahrgastraum (10) führt, wobei im zweiten Abschnitt (90b) der Kühler (40) und das zugeordnete Gebläse (19) angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem dritten Abschnitt (90c) unmittelbar vor dem Eintritt in den Fahrgastraum (10) eine Luftmischkammer (82) angeordnet ist, in die ein Frischluftkanal (36) mündet, und daß in der Luftmischkammer (82) ein Luftstromsteuerelement (83) angeordnet ist, das die Anteile der von dem zweiten Luftstromsteuerelement (52) kommenden und von dem Frischluftkanal (12) kommenden Luftströme beeinflußt.
Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, daß im dritten Abschnitt (90c) eine weitere Wärmequelle, vorzugsweise eine elektrische Zusatzheizung (81) vorgesehen ist.
Verfahren zum Kühlen einer Kabine mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kabinenluft über den Abluftkanal (11) abgezogen und über den Zuströmkanal (22) der Reaktionskammer (21) zugeführt wird und daß die aus dem Abströmkanal (23) austretende, entfeuchtete Luft in einem Verdunster (13) durch Verdunsten von Wasser bis zur Kühlgrenze adiabatisch abgekühlt und über den Zuluftkanal (12) unmittelbar in die Kabine (10) eingeleitet wird, wobei vorzugsweise der Abluftstrom des Abluftkanals (11) vor Eintritt in die Reaktionskammer (21) durch den aus der Reaktionskammer (21) austretenden trockenen Warmluftstrom erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abluftstrom vor Eintritt in die Reaktionskammer (21) bis an die Sättigungsgrenze befeuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Reaktionskammer (21) austretende trockene Warmluftstrom mittels eines Kühlluftstroms (28) gekühlt wird.
Verfahren zum Heizen einer Kabine mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß über den Zuströmkanal (22) der Reaktionskammer (21) ein feuchter Luftstrom zugeführt wird, der unter Aufnahme von Wärme im Sorptionsreaktor entfeuchtet wird und der aus dem Abströmkanal (23) austretende trockene Warmluftstrom durch einen Kühlluftstrom (28) gekühlt und der Kühlluftstrom (28) der Kabine (10) als Heizluftstrom zugeführt wird, wobei der Kühlluftstrom (28) vorzugsweise aus abgezogener Kabinenluft und einem Anteil Frischluft zusammengesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, daß über den Abluftkanal (11) abgezogene Kabinenluft als feuchter Luftstrom zugeführt wird, wobei die Kabinenluft vorzugsweise in dem Verdunster (13) insbesondere bis zur Sättigungsgrenze befeuchtet und über den Zuluftkanal (12) abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19,
dadurch gekennzeichnet, daß über den Frischluftkanal (8) zugeführte Frischluft als insbesondere bis zur Sättigungsgrenze befeuchteter Luftstrom zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Desorption des Sorptionsspeichers (20) die Durchströmungsrichtung der Reaktionskammer (21) umgekehrt wird.